CN1493004A - 高压直流晶体闸流管阀的测试电路 - Google Patents

Abstract

一种用于测试高压直流阀(Vt)的综合测试电路，具有电流源(CUS)、电压源(VOS)和电压振荡电路。该电压振荡电路具有电感器(L2)和第一电容器(Cs)，该第一电容器用于通过高压直流阀提供注入电流(Iinj)，并在高压直流阀上加正向阻断电压和反向恢复电压。该电压振荡电路包括第一装置(Va5)，用于为该第一电容器的电压从反向恢复电压极性到正向阻断电压极性的极性变化产生通过该电感器和该第一电容器的振荡电流通路(L2－Cs－Va5)，所述的电流通路在所述的该第一电容器的极性变化期间与该电压源断开连接，第二电容器(C2)，跨该电压源连接，以及第二装置(Va2)，用于当该第一电容器的电压的极性与该电压源的极性相同时将该第二电容器通过该电感器连接到该第一电容器。

Description

高压直流晶体闸流管阀的测试电路

技术领域

本发明涉及一种测试高压直流晶体闸流管阀的方法和执行该方法的测试电路。

背景技术

用于高压直流(HVDC)传输的线路变换的晶体闸流管变换器是一项已有的技术。变换器通常包括两个在直流(DC)侧和交流(AC)侧串联，并由相互之间相位电位移30°的交流电压供电的六脉冲电桥。这样，该变换器的基本配置是具有6个阀的六脉冲电桥，每个阀通常包括多个串联的晶体闸流管。

在操作中，由于电桥的工作原理，每个阀必须耐电压和电流压力，也就是说，由加在阀上的AC线路电压引起的从一个阀到另一个阀DC电流的变换取决于阀的开启顺序。

为了对变换过程进行总体上的描述，参考ke Ekstrm：HighPower Electronics HVDC and SVC.Stockholm1990，特别是9-1到9-11页、9-16到9-17页与相关附图。

在工作中阀上的电压和电流压力可以从四个不同的状态分别地分析；

a)在反向电压下截止，在关断时有瞬态电压过冲，在恢复期间有瞬态正电压，

b)开启，由于寄生电容而有高的电流混叠初始时间导数，

c)导通，具有导通损耗，以及

d)关断，具有带电压过冲的瞬态恢复电压和后来的功率频率恢复电压。

晶体闸流管的开启和关断在阀的工作中是最关键的顺序，有必要接近地代表这两种状态以确保晶体闸流管测试与正常工作相当。

为了确保该阀符合制定的标准和用户规范，必须以接近地再现在变换器的实际环境的工作中期望产生的电压和电流压力的测试过程来测试每个阀。

一种进行该测试的方法是以所谓的背对背连接来布置和操作电桥。假定变换器工作时所介于的AC和DC网络被正确地代表，该方法的优点是最重要电流和电压波形也会自动地校正。但是，随着阀的视在功率(电压乘以电流)的增加，测试工具的功率容量的需求也增加了。

为避免功率容量的过多需求，采用晶体闸流管测试电路，在该电路中在其导通期间通过阀的电流由电流源提供，在其截止期间加在阀上的电压由与电流源分离的电压源提供。由此，大大地削减了电压源和电流源的视在功率。

测试电路以重复方式运行以代表阀的循环工作，以同步工作的电流源和电压源组合代表其在电桥中工作时加在阀上的电流和电压压力。电压源的电压通过振荡电路加在测试阀上。

该测试电路在Cigré Task Force 03 of Working Group 14.01：Test Circuits for HVDC Thyristor Valve(April1997)中被论述。特别是在第4.4章Synthetic Test Circuits(第24-42页)，描述了该测试电路的一些实施例。

引用的文件以图22描述了基本的电压振荡电路。该图被重画为本专利申请的图1。

该图显示了测试阀Vt和DC电压源VOS。电容器C2’跨电压源的输出线连接。电压源的低压输出接地。电压源的高压输出连接到串联的辅助阀Va2’、电感器L2’、电感器L1’和测试阀Vt，然后接地。在两个电感器的接合处与地之间连接电容器Cs’。一开始，测试阀Vt和辅助阀Va2’被阻断，电容器Cs’充电到正电压。当测试阀触发后，电容器Cs’将借助电感器L1’通过测试阀放电并将半波正弦电流脉冲注入阀。电流脉冲由电压和电容器Cs’的电容以及电感器L1’的电感决定。选定电感器L1’的电感以代表实际电路的相位到相位变换电感，选定电容器Cs’的电容到一数值以再现阀的关断条件。在电流脉冲结束时其电压幅度由于损耗而稍低于其最初的电压幅度的电容器Cs’的反向电压，将代表测试阀上的负恢复电压。通过触发阀Va2’，电容器Cs’再充电到其最初正电压。

引用的文件也描述了一个与测试阀并联以获得代表在测试阀上开启和关断的压力的无源辅助电路。该电路包括代表阀端到端寄生电容的电容器，并联代表有效阀端到端电容的电容器和串联的谐振RLC电路。引用的文件也指出阀的恢复决定于在电流归零前200μs的间隔中的电流关断时间导数。为了再现该效果，由电压电路注入的电流持续时间不得少于600μs。

引用的文件以图36描述了包括电流源、电压源和更加精密的电压振荡电路的测试电路。该图被重画为本专利申请的图2。所述的图36明显地表示了用作辅助阀的汞弧阀，但是这些阀由于简化性的原因在本专利申请的图2中表示为半导体阀，即晶体闸流管。

图2显示了电流源CUS’、测试阀Vt和DC电压源VOS。如引用的文件的图36所示的电流源的包括称为二相振荡电路的测试阀的旁路装置的细节，在图2中未示。电容器C2’跨电压源的输出线连接。电压源的高压输出连接到串联的电感器L2’、辅助阀Va2’、逆并联的两个辅助阀Va3’和Va4’、电感器L1’及测试阀Vt，然后到电压源的低压输出。电容器Cs’在两个辅助阀Va3’和Va4’与辅助阀Va2’的接合处与电压源的低压输出之间连接。

上面提及的一类包括并联的电容器与串联谐振RLC电路以代表阀的寄生电容的混叠的辅助电路AUC跨测试阀连接。辅助阀Va5’也跨测试阀并与测试阀极性相同地连接。电流源的电流输出线通过辅助阀Va1连接到测试阀。该图也显示一个额外的能使脉冲电压承受住在其恢复期间进行的阀的测试的脉冲电压发生器IG。

最初，辅助电路AUC充电到正电压且测试阀处于截止状态，测试阀被触发。这将导致起动电流流过测试阀使辅助电路放电。在此基础上，辅助阀Va1被触发以通过测试阀释放电流源的输出电流。该电流从旁路装置变换到串联的阀Va1和测试阀并在120°的电导通周期保持近似不变。然后，通过触发旁路装置，电流从测试阀变换到旁路装置。

在测试阀电流归零前的短瞬，阀Va3’被触发，释放电容器Cs’的电荷，使辅助阀Va1失去作用并以与上面的图1相关的描述相同的方法激发一个注入电流环路。这样，Cs’的放电驱动一个半波正弦电流脉冲通过测试阀，该脉冲取决于电压和电容器Cs’的电容及电感器L1’的电感。当测试阀达到截止状态时，通过测试阀与无源辅助AUC的相互作用得到包括熄灭过冲的实际的恢复电压。阀Va4’连接电容器Cs’的负反向电压到测试阀和辅助电路AUC。

在适当的时间，触发辅助阀Va2’和Va3’以将正向阻断电压加在测试阀上并且将电容器Cs’和辅助电路AUC的电压再充电。

具有串联的电容器和电阻器的电路与阀Va3’和Va4’并联。该电路的目的是考虑到在电压振荡电路通过阀Va2’再充电的时间间隔中触发测试阀。采用用作该用途的阀Va3’将会引起电压源通过测试阀的短路。

如果进行所谓双重再充电工作测试，触发辅助阀Va5’。

在引用的文件中承认特别是包括在电流源中且被描述成二路谐振电路的测试阀的旁路装置，不能提供适于被测试的阀的故障电流。作为一种补救，在引用文件中建议采用旁路装置六脉冲电桥，在六脉冲电桥中一个臂由串联的测试阀Vt和辅助阀Va1形成。

在T.Bauer等人的文件：Operatianal Testson HVDC ThyristorModules in a Synthetic Test Circuit for the Sylmar EastProject.IEEE/PES Summer Meeting，July 28-August1.1996，Denver，Colorado中，报道了利用综合测试电路的阀的工作测试。主电流源被描述成三相变压器和六脉冲电桥，在六脉冲电桥中一个臂由串联的测试阀和辅助阀形成。在测试阀的导通期间电压电路也提供一部分测试电流。

该文件报道基于证实了仅仅一个额外的与测试对象并联的电容器足够充分代表在测试阀上的开启和关断压力的研究。这意味着如本申请的图2所示的辅助电路AUC可以仅由一个电容器形成。

该文件还报道故障电流测试通过触发与测试阀的同一变换组的另一电桥臂逆并联连接的辅助阀进行。当测试阀在导通状态时该辅助阀被触发。在上面引用的Cigré TaskForce 03文件图37中也表示了同样的电路配置。该图被重画为本专利申请的图3。该图表示了主电流源CUS，CUS包括连接到三相变压器T的六脉冲电桥REC，在REC中电桥的一个臂由串联的测试阀Vt和辅助阀Va1形成。用于进行故障电流测试的辅助阀标为Va11。该图仅仅表示了从电压源和电压振荡电路到电流源和测试阀的连接。

T.Bauer等人的文件的电压振荡电路被重画为本专利申请的图4。串联的辅助阀V121和电容器CL跨电压源VOS’的输出线连接。串联的辅助阀VL、电感器LL、电感器LS、测试阀Vt连接到阀V121和电容器CL的接合处，然后连接到电压源的低压输出。电容器Cs和控制极可关断晶体闸流管GTO并联在两电感器LL和LS的接合处与电压源的低压输出之间。控制极可关断晶体闸流管的极性与测试阀的方向相反。电感器CA与测试阀并联。电流源CUS’的电流输出线通过辅助阀V241连接到测试阀。

提供由电容器CL、辅助阀VL、电感器LL、电容器Cs组成的振荡电路以将电容器Cs再充电。将电容器Cs充电到在测试阀上提供正的阻断电压的测试电压。当电容器Cs借助电感器LS通过测试阀放电，一个四分之一正弦电流脉冲将流过测试阀。当该电流脉冲达到其最大值(并且电容Cs的电压经过零)时，触发控制极可关断晶体闸流管GTO以作为一个续流通路，在该续流通路中由存储于电感器LS中的能量维持电流近似在该最大值，并维持电感器Cs上的电压为零。该电流和主电流源的电流形成通过测试阀的测试电流，在测试阀的电流导通间隔的结束，即在120°电周期之后，该控制极可关断晶体闸流管GTO被关断。通过电感器LS和测试阀的电流将以一个四分之一正弦电流脉冲对电容器Cs再充电以提供测试阀的反向恢复电压。辅助阀V241与控制极可关断晶体闸流管GTO同步被触发以提供代表通过测试阀的全部测试电流所需要的来自于电流源的额外电流。

这样，该电路的一个特点是测试电流的重要部分是由电容器Cs、电感器LS和测试阀组成的振荡电路所提供的。

从测试阀的导通期间的开始到结束从电压振荡电路向测试阀注入电流是通过电容器Cs的放电进行的。

在上面描述的两个电压振荡电路中，注入电流脉冲的结果是电容器(图2中的电容器Cs’和图4中的电容器Cs)的极性反转。同一个电容器也用于将正向阻断电压加在测试阀上，因此该电容器则必须再充电到其最初的极性。

上述的电压振荡电路的一个共同的特点是电压源连接到电容器—在图2中借助电感器L2’以触发阀Vs2’的方式，在图4中借助电感器LL以触发阀VL的方式。在两种情况下该方法都需要电压源的高功率。忽略在这些元件中的功率损耗，该电容器的极性变换所需的能量等于2*C*U²，其中C是电容器Cs’或电容器Cs的电容，U是测试电压。这样，从电压源需要的功率是2*C*U²*f，其中f是功率网络频率。

如图4相关的描述，提供测试电流的重要部分的续流通路需要电感器LS的高功率额定值，此外，该方法将导致较不精确地代表在电流归零前电流时间导数，因而也较不精确地代表瞬态恢复电压。

发明内容

本发明的目的是实现在介绍中描述的该类方法的改进，它允许该测试电路的元件尤其是电压源的较低的功率额定值，以及执行该方法的测试电路。

按照本发明，该目的是通过具有电感器和第一电容器的电压振荡电路实现，该第一电容器用于提供通过测试阀的注入电流并在测试阀上加正向阻断电压，其中电压振荡电路包括用于为第一电容器电压的反向产生通过该电感器和该第一电容器的振荡电流通路的第一装置，所述的电流通路在第一电容器电压的反向期间从电压源上断开。

在本发明的有益效果方面，电压振荡电路包括跨该电压源连接的第二电容器、用于当该第一电容器的电压与该电压源具有相同的极性时借助该电感器将该第二电容器连接到该第一电容器的第二装置。

附图说明

通过参照附图的实施例的描述将更加详尽地解释本发明，其中

图1显示了按照已有技术的综合测试电路的电压振荡电路。

图2显示了按照已有技术的综合测试电路。

图3显示了按照已有技术的综合测试电路的电流源。

图4显示了按照已有技术的综合测试电路的另一个电压振荡电路。

图5显示了按照本发明的综合测试电路，以及

图6A-6C显示了按照图5由测试电路获得的电流和电压波形。

较佳实施例的描述

下面描述该方法和该测试电路。在图中，同样的标号表示了不同附图中的同样的和对应的部分。

图5显示了按照本发明的综合测试电路。电流源REC包括六脉冲晶体闸流管电桥，在该电桥中一个臂由测试阀Vt和辅助阀Va1的串联形成。

该六脉冲电桥REC在其AC侧以Δ/Δ型连接连接到变压器TDD的次级绕组。变压器TDD的初级绕组借助相位电感器Lph连接到三相发生器G。该发生器又以Δ/Y型连接连接到变压器TDY的初级绕组。变压器TDY的Y型连接的次级绕组连接到六脉冲晶体闸流管电桥INV的AC侧。电桥INV和电桥REC的DC侧通过平滑电感器Ls连接，由此允许功率通过该电桥、该变压器、该发生器以两个六脉冲电桥背靠背连接的方式循环。

该电压源通过如下所述的电压振荡电路连接到该测试阀。电容器C2跨DC电压源VOS的输出线连接。电压源的高压输出连接到辅助阀Va2、电感器L2、两个逆并联的辅助阀Va3和Va4、电感器L1、测试阀Vt的串联，然后到电压源的低压输出。电容器Cs连接在两个辅助阀Va3和Va4以及电感器L2的接合处与电压源的低压输出之间。

电容器Ct跨测试阀连接以代表该阀的寄生电容。电感器L1代表相位到相位的变换电感。测试阀通常作为在业务中使用的阀的一部分，电感器L1的电感要按比例换算。辅助阀Va5以与测试阀相反的极性连接在阀Va2和电感器L2的接合处与电压源的低压输出之间。

DC电压源的电压是典型地最高到70kV连续可调的。电感器L2的电感是典型地从0.2mH到200mH范围可调的，电容器Cs的电容也是典型地从1μF到70μF范围可调的。

将在下面更详尽描述的以决定好的时间顺序触发不同的阀，由仅在图中简略表示、提供也仅在图中简略表示的触发信号TS到测试电路中的阀的控制系统CTRL控制。该控制系统本身是已知的，其不是本发明及专利申请的一部分。

图6A表示了在相当于360°的电工作周期的整个测试周期中加在测试阀上的电流Itest的波形，图6B表示了在电压振荡电路中的产生的电流Iaux的波形，图6C表示了由电压振荡电路加在测试阀上的电压Utest的波形。

在这些附图中，参数时间(标为t)显示在水平轴上，电流和电压显示在垂直轴上。

从时间t0，恒定幅度Id的电流流过辅助阀Va1和测试阀Vt。将电流从测试阀变换到在六脉冲电桥REC中的另一个阀的顺序则是通过一个未示的六脉冲电桥的控制设备预置的，该控制设备原理上就象用于控制在HVDC变换器设备中的六脉冲电桥的已有电桥控制设备一样工作。

在时间t1，即在由电流源提供的电流在时间t2达到其零值的短时间前，触发辅助阀Va3以通过电感器L1和测试阀释放电容器Cs的正电荷。该电容器放电电流波形为如图6B中以从时间t1到时间t3的虚线Iinj所示的正弦半波。通过测试阀的电流在时间t1和t2之间就是由电流源和电压振荡电路提供的电流的和，在时间t2和t3之间等于注入电流。

当来自于电流源的电流在时间t2达到零时，辅助阀Va1关断，由此将电流源与测试阀隔离开，直到阀Va1再次被触发。

电容器Cs的电容值被与电感器L1的电感联合选定以提供等于或大于600μs的半波注入时间t1到t3。该值遵循在上面引用的CigréTask Force 03文件中提出的要求并将确保只要在电容器Cs上有一个适当选择的初始电压，就可以在电流在时间t3归零前的200μs的时间间隔中实现足够的电流关断时间导数。

在时间间隔t1到t3中，电容器Cs上的电压与值U1(图6C)反向。当测试阀在时间t3进入其截止阻断状态时，触发辅助阀Va4，在此基础上电容器Cs的反向电压将使电容器Ct和测试阀的缓冲电路(图5中未示)通过电流通路Cs-Va4-L1-Ct在时间间隔t3到t5中充电，由此在测试阀上加瞬态恢复电压和反向恢复电压。

如图6C所示，由于电容器Ct、缓冲电路和电容器Cs通过电感器L1的相互作用，电容器Cs的电压反向伴随着一个电压过冲。

在时间t4，在该时间瞬态恢复电压已经衰减完毕，触发辅助阀Va5以为电容器Cs的电压极性变化提供振荡电流通路Va5-L2-Cs。在t4与t6之间的时间间隔在电容器Cs上的电压反转为幅度U2(图6C)的正值。该反向电流如图6B中从时间t4到时间t6的电流Irev所示。

应当注意在该从时间t4到时间t6的时间间隔该电压源与该电压振荡电路通过阀Va2处于截止状态而解连接。

在时间t7，触发阀Va2以将电容器Cs充电到幅度U3的电压，补偿了由在上述电压反向中的损耗引起的在电容器Cs上的电压下落。该充电电流如图6B中从时间t7到时间t8的电流Ich所示。在时间t8，当振荡充电电流过零时，阻断阀Va2。

在时间t5辅助阀Va3被触发并保持导通状态到时间t8，因此在该时间间隔将电容器Cs的电压加在电容器Ct和测试阀上。

在时间t9，在该时间将幅度U3的电压加在测试阀上，测试阀被触发。电容器Ct也被充电到幅度U3的电压，然后通过测试阀放电并在其上加一个如图6A所示的启动电流。由于测试阀上的电压与此同时下降到零，电流源电压将被加在测试阀上并且当辅助阀Va1紧接着测试阀也在时间t9被触发时，电流源的输出电流被加在测试阀上。

从按照本发明的电路(图5)的上述解释中可明显看出电容器Cs的电压极性反转是通过借助电感器L2和电容器Cs通过触发辅助阀Va5产生一个反向振荡电流通路来实现的。在该再充电过程中，所述的电流通路通过阀Va2与电压源断开连接。仅当电容器Cs的电压极性反转到其最初的极性时，电压源通过在时间t7触发阀Va2连接到电容器Cs。从电压源中引出的功率则仅仅是补偿测试阀的关断损耗和在电压振荡电路中的电阻性损耗所需要的功率。

一种本身已知的脉冲发生器IG，连接到测试阀的两端并与电压振荡电路并联，以在该阀的恢复期间进行瞬态电压的测试。阀Vs与电桥REC的一个臂逆并联连接以进行在测试阀上的短路故障电流测试。

Claims (4)

1.一种用于测试高压直流阀(Vt)的综合测试电路，具有电流源(CUS)、电压源(VOS)和电压振荡电路，该电压振荡电路具有电感器(L2)和第一电容器(Cs)，该第一电容器用于通过高压直流阀提供注入电流(Iinj)，并在高压直流阀上加正向阻断电压和反向恢复电压，其特征在于该电压振荡电路包括：

第一装置(Va5)，用于为该第一电容器的电压从反向恢复电压极性到正向阻断电压极性的极性变化产生通过该电感器和该第一电容器的振荡电流通路(L2-Cs-Va5)，所述的电流通路在所述的该第一电容器的极性变化期间与该电压源断开连接，

第二电容器(C2)，跨该电压源连接，以及

第二装置(Va2)，用于当该第一电容器的电压的极性与该电压源的极性相同时将该第二电容器通过该电感器连接到该第一电容器。

2.按照权利要求1的综合测试电路，其特征在于该电流源包括第一六脉冲电桥电路(REC)，在该电路中一个臂包括该高压直流阀和辅助阀(Va1)的串联。

3.按照权利要求2的综合测试电路，其特征在于该电流源包括第二六脉冲电桥(INV)，所述的第一和第二六脉冲电桥连接成背靠背连接。

4.一种用于在测试电路中综合测试高压直流阀的方法，该测试电路具有电流源(CUS)、电压源(VOS)和电压振荡电路，该电压振荡电路具有电感器(L2)、第一电容器(Cs)和第二电容器(C2)，该第二电容器跨该电压源连接，且该第一电容器用于通过高压直流阀提供注入电流(Iinj)，并在高压直流阀上加正向阻断电压和反向恢复电压，其特征在于：

为该第一电容器的电压从反向恢复电压极性到正向阻断电压极性的极性变化产生通过该电感器和该第一电容器的振荡电流通路(L2-Cs-Va5)，所述的电流通路在所述的该第一电容器的极性变化期间与该电压源断开连接，以及

当该第一电容器的电压的极性与该电压源的极性相同时将该第二电容器通过该电感器连接到该第一电容器。

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